磁场对铁酸铋薄膜电学性质的影响

发布时间：2020-06-14 10:49

【摘要】：在这个信息迅猛更换的短短几十年里,多铁材料因为同时存在多种铁性有序以及磁电耦合效应,引起了研究者们对基础科学和应用技术领域的极大兴趣,这使得多铁材料在高密度存储器,机电器件以及自旋电子设备中有很大的应用潜力。而作为多铁材料中一个具有良好性能的的材料——铁酸铋(BiFeO_3,BFO)涌入研究者的眼前,铁酸铋不含有铅等有毒元素,无污染,对环境友好、并且化学稳定性好、其居里温度和奈尔温度分别为Tc~1100 K和T_N~640 K,是目前发现极少数的一种在室温下仍然呈现多铁性质的材料,而且同时具有铁电性、G型反铁磁性、结构可调性、光伏特性等优良性质,在多个领域应用前景巨大。然而,铁酸铋本身也存在各种各样的问题,比如:Bi元素挥发引起的Bi缺陷和氧空位(V_(Bi)和V_O)造成了BFO具有较高的漏电流,严重地影响了BFO的多铁性质及器件应用。由于在制备铁酸铋的奈米结构时的工艺比较严苛,所以我们会的得到有晶格缺陷的铁酸铋纳米材料,晶格缺陷会严重影响材料的性质,但是缺陷的产生也是不可避免的,所以研究者们就通过各种办法来解决这种缺陷,比如:掺杂(自掺杂和他掺杂)、元素替代以及加入其它的试剂等,以来提高铁酸铋薄膜的性能,但是这样会引起其结构的改变以及杂相的产生;为了防止这种现象的产生,研究者们就试图在不改变铁酸铋结构的前提下通过改变外界的条件来优化铁酸铋的性能,比如说加激光,由于铁酸铋薄膜具有光电效应,能够产生光生载流子所以会让铁酸铋薄膜内部的电荷进行重新组合和分布,从而可以改变铁酸铋薄膜的性质。近几年来,随着铁电、压电器件的小型化、精细化以及对内部结构生长行为的研究兴趣的增长,人们可以应用的外加体检越来越多,为了使研究的材料的性能更加的优化,在试验过程中会采用不同的实验手段对材料进行测试,因而对材料性能的纳米尺度表征显得越来越有意义。基于原子力显微镜(AFM)的多种先进微观表征技术应运而生,借助AFM可以探究内部缺陷与材料性能间的联系,以及借助AFM的外加的实验条件,为材料的更广泛应用提供基础研究依据。本文采用外加磁场的方法进行铁酸铋薄膜性质的探究,通过控制磁场强度额大小以及方向,来达到改善其性质的目的,同时借助多种观测手段(原子力显微镜、压电力显微镜、静电力显微镜、表面开尔文探针显微镜、导电原子力显微镜和扫描电子显微镜等),研究了磁场强度对铁酸铋/掺铌钛酸锶(BiFeO_3/Nb:SrTiO_3)异质结的铁电性及电学性质的影响。主要研究内容如下:一、采用固相反应法,制备了具有高质量的铁酸铋陶瓷靶材,Bi/Fe比为1.25。由于Bi元素极易挥发,为了防止在烧结过程中Bi的丢失,也为了防止块体陶瓷靶材受热不均匀,烧结过程采用埋粉法,另外也使Bi的用量稍微多一点,成功制备了致密性良好的陶瓷靶材;二、采用脉冲激光沉积法(PLD),在掺铌钛酸锶单晶(NSTO)衬底上,首先利用反射高能电子枪(RHEED)监控了铁酸铋薄膜的生长,由于降温时氧压过高,所以关闭了RHEED,这里的NSTO作为底电极,当然BFO与NSTO的晶格失配也不大,对BFO的结构生长不会有太大的变化;三、利用多种扫描探针显微镜(AFM、PFM、EFM、KPFM和CAFM)在改变外加磁场强度的情况下对铁酸铋薄膜的微观铁电和电学性能进行了研究:1.BFO薄膜结晶质量良好,没有杂相产生,表面平整致密,并且铁酸铋薄膜铁电层都呈现自发极化向上;2.对铁酸铋薄膜进行外加磁场的操作,随着磁场强度的增强,BFO薄膜的自发极化强度和压电响应也随之增大,表面电荷密度铁酸铋薄膜表面电势逐渐增大,异质结构的导电性和漏电流减弱,整流特性明显;3.为了进一步了解铁酸铋薄膜的性能,我们在保证磁场强度相同的条件下观测其保持性的性能,通过时间间隔为0h-10h-15h,每5个小时进行测试,我们的到另一个结论高磁场强度下铁酸铋薄膜的保持性特别好,几乎没有生变化;4.为了排除磁场方向对铁酸铋薄膜性能的影响,我们在对铁酸铋薄膜进行单点测试时,改变了磁场强度,结果表明磁场强度对铁酸铋薄膜的影响几乎可以忽略,而影响铁酸铋薄膜性质的只有磁场强度,这些结果的出现可以用极化不连续理论和能带理论来解释;
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TQ135.32
【图文】：

立方晶胞,钙钛矿,铁电,晶胞

铁酸铋（BFO）是一种多铁材料，它同时也是典型的钙钛矿（ABO3）结构，并且是 I 型多铁性的经典范例，这就意味着对于不同的位置影响着材料的性能：其中由于 A位的离子为半径较大的，并且含有孤对电子的（6s 电子），同时具有化学性质相对活泼的 Bi 元素，这也是是引起 BFO 发生结构扭曲和产生铁电性的主要原因；而对于 B 位，它是半径较小的而 d 轨道处于为半填充的 Fe 离子，这个位置主要是引起了材料的磁有序特性[17]。铁酸铋（BFO）陶瓷的各个方面的性质和性能并未表现出巨大的优势，所以我们在研究的通常是薄膜状态，在此状态下 BFO 结构通常会呈现不同的结构形式，通常为：菱面体结构（R）和四方结构（T）。R 相和 T 相的面外晶格参数分别是 4.06 埃和 4.65埃，因为面内晶格参数会受到衬底的约束，所以会有轻微的变化，R 相约为 3.8 埃，T相约为 3.7 埃[18]。因此 BFO 的 c/a 比会从 R 相的 1.07 埃变化到 T 相的 1.27 埃，通常会在 10 个晶胞的范围内产生 16%的相对的差值[19]。

铁电材料,电滞回线

磁场对铁酸铋薄膜电学性质的影响它的因素，比如：极化疲劳与铁弹畴壁有关系,而薄膜的转换。FO）作为一种特别具有代表性的铁电材料。自上世纪的研究及应用开发，已经成为很多研究者的工作的重要一个重要的的研究课题。在一定温度（Tc）下，由于晶引起偶极矩不为零，材料因此会产生出自发极化，这些方向会随着电场的方向的改变而发生改变。但当 T>T铁电相转变成为顺电相，也就是说此时的铁电极化方向化，它会保持自己原有的极化方向。

【参考文献】